CN102108909A - 缸内喷射式内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种缸内喷射式发动机的控制装置，在缸内喷射式发动机中，在1个周期中进行多次燃料喷射的情况下，将第1次喷射尽可能地提前，并且，减少附着、残留于活塞顶面的燃料量，以抑制PM排出粒子数的增大。在被分割为多次的各喷射中，至少根据第1次的喷射脉冲宽度，来设定第1次的喷射定时，分割后的第1次的喷射脉冲宽度较短的情况与分割后的第1次的喷射脉冲宽度较长的情况相比，将第1次喷射的喷射定时提前。

Description

缸内喷射式内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及搭载于车辆等的内燃机的控制装置，特别涉及缸内喷射式内燃机的控制装置。
背景技术
现在的车辆(汽车)，从环境保护的角度出发，寻求汽车的排出气体所包含的一氧化碳(CO)、烃(HC)、氮氧化物(NOx)等排出气体物质的削减，以及燃料消耗量的削减。以这些削减为目的，进行了缸内喷射式发动机的开发。
缸内喷射式发动机，通过由燃料喷射阀在气缸的燃烧室内直接进行燃料喷射，实现了排出气体物质的削减以及燃料消耗量的削减、发动机输出的提高等。
然而，在缸内喷射式发动机中，通过喷射而在燃烧室内移动的燃料喷雾容易附着于活塞的顶面和缸膛的壁面。其附着量取决于燃料喷射阀进行燃料喷射的定时。
在使燃料喷射阀进行燃料喷射的定时为进气行程的情况下，若使燃料喷射的定时相对提前(進角)，则从燃料喷射开始到点火为止确保了燃料气化的期间从而能够改善燃烧性，而另一方面，因为成为了在活塞顶面离喷射器更近的时点的燃料喷射，所以燃料向活塞顶面的附着增加。特别是，附着于活塞顶面的燃料，在此后的内燃机燃烧时逐渐被雾化，且不完全燃烧而从气缸内被排出(专利文献1)。
此外，若附着于活塞的顶面或缸膛的壁面，残留在燃烧室内的燃料量增多，则产生石墨，并且粒子状物质、所谓的颗粒物质(以下称PM)这样的排出粒子数有增大的倾向。在此，PM排出粒子数是指，在以规定的驾驶模式驾驶车辆时，排出的PM粒子的总排出粒子数。特别是，若附着于活塞的顶面的燃料量较多则PM排出粒子数有增大的倾向。近年，针对车辆用发动机，特别是缸内喷射式发动机，减少PM排出粒子数的必要性提高。
专利文献1：JP特开2007-32326号公报
在缸内喷射式发动机中，在使燃料喷射定时(timing)为进气行程的情况下，若使燃料喷射的定时相对提前，则附着于活塞顶面的燃料量增大，PM排出粒子数有增大的倾向。另一方面，若为了减少附着、残留于活塞顶面的燃料量，抑制PM排出粒子数的增大，而使喷射定时滞后(遅角)，则附着、残留于缸膛壁面的燃料量增大，未燃气体有增大的倾向。
这样的课题，在1个周期中进行多次燃料喷射的分割多级喷射的情况下也是同样，而且，在分割多级喷射中，因为需要喷射与喷射的间隔，所以与在1个周期中只喷射1次燃料的情况相比，喷射的结束时间滞后。若分割后的最后一次喷射的结束时间与规定的曲柄角度相比滞后，则存在到被点火为止的期间中无法充分气化的情况，缸内的混合气的均匀度存在降低的倾向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在缸内喷射式发动机中，在1个周期中进行多次燃料喷射的情况下，尽可能将第1次喷射提前，并且，减少附着、残留于活塞顶面的燃料量，以抑制PM排出粒子数的增大的缸内喷射式发动机的控制装置。
为了达成这样的目的，在本发明中，提供一种内燃机的控制装置，该内燃机具备通过根据喷射脉冲宽度控制驱动电流，来向燃烧室内喷射燃料的燃料喷射阀，该控制装置的特征在于，进行分割多级喷射控制，该分割多级喷射控制是指，执行在进气行程中至少进行初次喷射的多次燃料喷射，根据初次喷射的喷射脉冲宽度，设定初次喷射的喷射定时，使得初次喷射的喷射脉冲宽度较短的情况与初次喷射的喷射脉冲宽度较长的情况相比，初次喷射的喷射定时提前。
根据本发明，能够在可减少附着、残留于活塞顶面的燃料量的喷射定时进行分割多级喷射，能够抑制PM排出粒子数的增大。
特别是在内燃机的冷机启动时，与热机时相比活塞顶面的温度较低，因此能够得到更大的效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的控制系统整体的结构概要图。
图2是本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的燃料系统的整体结构概要图。
图3是在表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的控制装置的一个实施方式的系统结构中使用的，表示发动机控制单元的输入输出信号关系的框图。
图4是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的燃料系统的，喷射器通电开始后的经过时间与喷射出的燃料的到达距离(穿透深度：penetration)的关系的图。
图5是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的燃料系统的，喷射器的喷射脉冲宽度与喷射出的燃料的穿透深度的最大值的关系的图。
图6是表示在使用了喷射的燃料在1个方向上被喷射的喷射器的情况下，在活塞从上死点向下死点移动的期间，从喷射器向燃烧室喷射了燃料时的，离喷射器的喷射口的最短距离的关系的图。
图7是表示在使用了喷射的燃料在多个方向上被喷射的多孔喷射器的情况下，在活塞从上死点向下死点移动的期间，从喷射器向燃烧室喷射了燃料时的，离喷射器的喷射口的最短距离的关系的图。
图8是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的控制内容的流程图。
图9是表示在图8中图示的分割喷射设定的处理内容的流程图。
图10是表示用于计算在图9中图示的各喷射的穿透深度(燃料到达距离的最大值)的映射函数的图。
图11是表示在图9中图示的喷射定时设定的处理内容的流程图。
图12是表示用于计算在图11中图示的温度容许喷射角度PCAt的映射函数的图。
图13是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第1控制例的时间图。
图14是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第2控制例的时间图。
图15是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第3控制例的时间图。
图16是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第4控制例的时间图。
图17是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第5控制例的时间图。
图18是表示在图8中图示的分割喷射设定的其他处理内容的流程图。
图19是表示在图18中图示的非分割时处理的处理内容的流程图。
图20是表示在图18中图示的第1次喷射处理的处理内容的流程图。
图21是表示在图18中图示的分割喷射处理的处理内容的流程图。
图22是表示在图18中图示的最终喷射处理的处理内容的流程图。
图23是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第6控制例的时间图。
图24是表示本发明的一个实施方式的缸内喷射式发动机的分割多级喷射控制的第7控制例的时间图。
符号说明：
1 缸内喷射发动机
101 发动机控制单元
101a I/O LSI
101b CPU
200 泵驱动凸轮
201 进气管
202 空气净化器
203 气流传感器
204 节气门传感器
205 节气门体
205a 电控节气门阀
206 收集器
207a 活塞
207b 缸体
207c 燃烧室
207d 曲柄轴
208 火花塞
209 高压燃料泵
209a 泵螺线管
211 凸轮角传感器
216 曲柄角传感器
217 水温传感器
218 空燃比传感器
219 油温传感器
222 点火线圈
225 进气阀
226 排气阀
250 燃料箱
251 低压燃料泵
252 燃压调节器
253 燃料轨
254 喷射器
256 压力传感器
401 钥匙开关
402 加速器开度传感器
403 制动开关
404 车速传感器。
具体实施方式
以下，使用图1～图24，对本发明的实施方式进行详细的说明。
首先，使用图1，对本发明的1个实施例所涉及的缸内喷射发动机1的控制系统整体的结构概要进行说明。
缸内喷射发动机1由4个气缸构成。图1为了简化只图示了1个气缸(気筒)。各气缸具有缸体(シリンダ)207b，导入缸体207b中的空气是从空气净化器202的入口部吸入，通过空气流量计(气流传感器203)，并通过容纳了控制进气流量的电控节气门阀205a的节气门体205，进入收集器206。吸入收集器206中的空气，被连接于缸内喷射发动机1的各缸体207b上的各进气管201分配后，被导入由活塞207a、缸体207b等形成的燃烧室207c。此外，从气流传感器203向本实施方式的具有高压燃料泵控制装置的发动机控制单元101输出表示进气流量的信号。并且，在节气门体205上，安装有检测电控节气门阀205a的开度的节气门传感器204，其信号也被输出到发动机控制单元101。
另一方面，汽油等燃料从燃料箱250被低压燃料泵251进行一次加压并被燃压调节器252调压为固定的压力(例如0.3MPa)，并且被后述的高压燃料泵209二次加压为更高的压力(例如5MPa或10MPa)，并经由燃料轨253从设置于缸体207b的燃料喷射阀(以下，称作喷射器254)喷射到燃烧室207c中。喷射到燃烧室207c中的燃料通过被点火线圈222高电压化后的点火信号由火花塞208点火。另外，在本实施例中，喷射器254是从缸内喷射发动机1的各缸体207b侧进行喷射的侧面喷射方式，但也可以为从燃烧室207c的正上方进行喷射的中央喷射方式。
安装于缸内喷射发动机1的曲柄轴207d上的曲柄角传感器216，将表示曲柄轴207d的旋转位置的信号输出到发动机控制单元101，此外，具备使进气阀225的开闭定时可变的机构，和使排气阀226的开闭定时可变的机构，在具备使排气阀226的开闭定时可变的机构的凸轮轴(图示省略)上安装的凸轮角传感器211，将代表凸轮轴的旋转位置的角度信号输出到发动机控制单元101，同时将代表随着排气阀226的凸轮轴的旋转而旋转的高压燃料泵209的泵驱动凸轮200的旋转位置的角度信号也输出到发动机控制单元101。
另外，在本实施例中，记载了缸内喷射发动机1为4个气缸，但也可以为3个气缸或6个气缸等其他气缸数的发动机。
此外，在本实施例中，进气阀225、排气阀226都具备开闭定时可变机构，但作为可变动阀机构，也可以为只使进气阀225的开闭定时可变的结构，还可以使用除了开闭定时之外还使阀升程量可变的机构。
图2表示了具备所述高压燃料泵209的燃料系统的整体结构概要图。
高压燃料泵209将来自燃料箱250的燃料加压并向燃料轨253压送高压的燃料的装置。
燃料被燃压调节器252调压为一定的压力后，被低压燃料泵251从箱250导入高压燃料泵209的燃料导入口。在燃料导入口侧设有控制燃料吸入量的电磁控制阀，即，泵螺线管(pump solenoid)209a。泵螺线管209a是常闭型的螺线管，在非通电时闭阀，在通电时开阀。由低压燃料泵251提供的燃料，通过由发动机控制单元101控制泵螺线管209a，来调节吸入量，并且被泵驱动凸轮200和加压室209b加压，从燃料吐出口压送至燃料轨253。为了使下流侧的高压燃料不逆流入加压室，在燃料吐出口上设有吐出阀209c。在燃料轨253上，安装有用于测量喷射器254、燃料轨253内的燃料压力(以下称为燃压)的压力传感器256。
图3表示发动机控制单元101的输入输出关系。发动机控制单元101由包含A/D变换器的I/O LSI101a、CPU101b等构成，将表示附件、点火打开ON、启动器ON的钥匙开关401的信号，和来自包含加速器开度传感器402、制动开关403、车速传感器404、气流传感器203、节气门传感器204、凸轮角传感器211、曲柄角传感器216、水温传感器217、空燃比传感器218、压力传感器256、油温传感器219在内的各种传感器等的信号作为输入并取得这些信号，执行规定的运算处理，输出作为运算结果而计算出的各种控制信号，并向作为执行元件的电控节气门阀205a、泵螺线管209a、点火线圈222、低压燃料泵251、喷射器254提供规定的控制信号，执行燃料轨253内的燃压控制、燃料喷射量控制和点火时间控制等。在I/O LSI101a设有驱动喷射器254的驱动电路，将由电池提供的电压用升压电路(未作图示)升压后提供，并通过由IC(未作图示)进行电流控制来驱动喷射器254。
接下来，使用图4～图7，对从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度(穿透力)，即，燃料到达距离进行说明。
图4表示了在以规定的燃压、规定的喷射脉冲宽度，从喷射器254喷射了燃料的情况下的，从喷射开始后，即通电开始后的经过时间，与喷射的燃料的到达距离(穿透深度)的关系。通电刚刚开始后因为存在喷射器254的开阀延迟，所以穿透深度为0，经过规定时间后开始穿透深度逐渐增加。经过一定时间后，喷射的燃料气化，因此穿透深度收敛(图中的虚线)。在此情况下的穿透深度的最大值为PNT_max。
图5表示在规定的背压的环境下，以规定的燃压，从喷射器254喷射了燃料的情况下的，每个喷射脉冲宽度下的穿透深度的最大值，即，与图4的PNT_max相当的穿透深度的关系。在喷射脉冲宽度较短的情况下，即，喷射量较小的情况下穿透深度的最大值较小，喷射脉冲宽度较长的情况下穿透深度的最大值变大。在此，Ti_min为最小脉冲宽度，Ti_min时的穿透深度最小。
图6表示在活塞207a从上死点(TDC)向下死点(BDC)移动的期间，从喷射器254向燃烧室207c喷射了燃料的情况下的，从喷射器254的喷射口到活塞顶面或缸膛为止的最短距离的关系。在图6中为了简单起见，作为例子记载了从喷射器254喷射的燃料在1个方向上进行喷射的情况。在曲柄角度位于0(活塞207a在TDC)的情况下，活塞207a的顶面最接近喷射器254的喷射口，因此最短距离较短，而随着曲柄角度前进，活塞207a从TDC向BDC移动，因此最短距离逐渐拉长。当曲柄角度大于CA_0之后，虽然活塞207a更加远离喷射器254的喷射口，但因为缸膛壁面离喷射器254的喷射口较近，因此最短距离变得固定。
在此例如，从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度(燃料到达距离的最大值)较大的情况下，在比曲柄角度CA_0提前的一侧(TDC侧)喷射时燃料到达活塞顶面，在比曲柄角度CA_0滞后的一侧(BDC侧)喷射时燃料到达缸膛壁面。不过，在从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度(燃料到达距离的最大值)为p1的情况下，若在曲柄角度CA_p1之后开始喷射，则燃料既不到达活塞顶面也不到达膛壁面。此外例如，在从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度为p2的情况下，若在曲柄角度CA_p2之后开始喷射，则燃料既不到达活塞顶面也不到达膛壁面。例如，在以最小喷射脉冲宽度喷射时的穿透深度为p1，且以按规定的分割比分割后的每1次的喷射脉冲宽度喷射时的穿透深度为p1的情况下，只要在曲柄角度CA_p1之后开始喷射即可，在以按规定的分割比分割后的每1次的喷射脉冲宽度喷射时的穿透深度为p2的情况下，只要在曲柄角度CA_p2之后开始喷射即可。
图7表示了从喷射器254喷射出的燃料在多个方向上喷射，所谓多孔喷射器的情况下，在活塞207a从上死点(TDC)向下死点(BDC)移动的期间，从喷射器254向燃烧室207c喷射了燃料的情况下的，离喷射器254的喷射口的最短距离的关系。在图7中，作为多孔喷射器的例子，记载了喷射6条射束的情况。
在曲柄角度位于0(活塞207a为TDC)的情况下，活塞207a的顶面最接近喷射器254的喷射口，因此对于任意一条射束最短距离都较短，而随着曲柄角度前进，活塞207a从TDC向BDC移动，因此各射束的最短距离逐渐拉长。在此因为多孔喷射器的情况下是向多个方向喷射燃料，所以最短距离根据射束不同而不同，例如射束No1最朝上，即，在相对于顶面接近平行面的方向上喷射，因此随着曲柄角度前进，最短距离的增幅较大，反之，因为射束No5、6最朝下，即在相对于顶面接近垂直面的方向上喷射，所以随着曲柄角度前进，最短距离的增幅较小。各个射束，当曲柄角度大于规定值之后，虽然活塞207a更加远离喷射器254的喷射口，但因为缸膛壁面离喷射器254的喷射口较近，所以最短距离变得固定。
在此，与图6相同，例如，在从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度(燃料到达距离的最大值)为p1的情况下，若在曲柄角度CA_p1之后开始喷射，则任意一条射束的燃料都既不到达活塞顶面也不能到达膛壁面。此外例如，在从喷射器254喷射出的燃料的穿透深度为p2的情况下，若在曲柄角度CA_p2之后开始喷射，则任意一条射束的燃料都既不到达活塞顶面也不到达膛壁面。以下的实施例是以喷射器254为多孔喷射器的情况为例来记载的。
图6、图7任意一种情况都表示了几何学上的距离，虽然在实际的燃烧中受到燃烧室207c内的进气流动的影响，但通过将在1个周期中喷射的燃料分割为多次来进行燃料喷射，并与分割后的各喷射脉冲宽度的穿透深度(燃料到达距离的最大值)相应地选择喷射的曲柄角度，或者与喷射曲柄角度相应地选择各喷射脉冲宽度，以使得穿透深度成为能够容许的长度，由此能够大幅减少附着于活塞顶面或膛壁面的燃料量。
接下来，使用图8～图17，对本实施方式的内燃机的分割多级喷射控制的具体控制内容进行说明。
图8是表示本发明的一个实施方式的分割多级喷射控制的控制内容的流程图。
图8的内容被编程到发动机控制单元101的CPU101b中，并按照预先规定的周期反复被执行。即，以下的步骤501～506的处理是按照由发动机控制单元101预先规定的周期反复被执行的。发动机控制单元101根据用图8的处理内容计算出的喷射脉冲宽度和喷射定时，对各喷射器254提供规定的控制信号，并在1个周期中进行多次燃料喷射。
在步骤801中，设定合计喷射脉冲宽度Ti_all，其为在1个周期中从各喷射器喷射出的总燃料量。合计喷射脉冲宽度Ti_all根据由气流传感器203计量的吸入空气量、按照运转状态等设定的空燃比、使用压力传感器256信号计算出的燃压等来设定。
在步骤802中，计算最小喷射脉冲宽度Ti_min。最小喷射脉冲宽度Ti_min如图8(B)所示，参照将使用压力传感器256信号计算出的燃压Pf作为输入的函数Fmin来进行计算。在此因为最小喷射脉冲宽度依赖于喷射器254的电特性、机械特性，以及喷射器的驱动电流波形，所以优选在考虑诸特性的基础上设定函数Fmin。
在步骤803(分割喷射设定)中，进行分割多级喷射的各喷射脉冲宽度和喷射定时的设定。步骤803的细节在图9中表示。
接下来，使用图9，对图8的步骤803(分割喷射设定)的细节进行说明。图9是首先设定1个周期的分割喷射的分割数，并设定各喷射脉冲宽度和各喷射定时的控制方式的控制流程图。若假设分割数为N，则设定n＝1～N的各喷射脉冲宽度和各喷射定时。
在步骤901中，进行计数器的初始化。
在步骤902中，进行分割数N的设定。使用在图8的步骤801、802中分别设定了的合计喷射脉冲宽度Ti_all、最小喷射脉冲宽度Ti_min，来进行Ti_all÷Ti_min的除法运算，并将其商设定为分割数N。例如，在Ti_all为1.0ms，Ti_min为0.3ms的情况下，Ti_all÷Ti_min＝3.33…，商为3因此N＝3。
在步骤903中，进行计数器n是否比分割数N大的判断，大的情况下(n＝1～N为止的设定完成的情况)结束处理。计数器n为分割数N以下的情况进行步骤904以后的处理。
在步骤904中，进行各喷射的喷射脉冲宽度Ti_n(n＝1～N)的计算。在步骤904中以Ti_all÷N来计算喷射脉冲宽度Ti_n，但详细来说，为了防止精度降低，优选进行例如在Ti_all为1.0ms，分割数N＝3的情况下，Ti_1＝0.33，Ti_2＝0.33，Ti_3＝0.34等这种精度降低防止处理。或者也可以为如下处理：设定分割比，并预先将精度降低的防止穿插到分割比计算中来进行计算。
在步骤905中，进行穿透深度的推算。根据分割后的各喷射脉冲宽度Ti_n和燃压Pf，使用图10所示的那种映射结构，来计算分割后的各喷射的穿透深度(燃料到达距离的最大值)pnt_n。图10是各喷射脉冲宽度Ti_n与燃压Pf的映射结构，但优选进一步检测或推算吸入的空气温度，成为各喷射脉冲宽度Ti_n、燃压Pf、和空气温度的4维映射结构。并且，在缸内喷射发动机1中搭载了涡轮增压机(turbo charger)或机械增压机(super charger)等增压系统的情况等，为了考虑燃烧室内的压力变化所产生的穿透深度变化，优选对使用进气管压力和增压压力等推算出的穿透深度进行补正。而且，因为根据重质、轻质等燃料的性状不同穿透深度也发生变化，所以优选准备与燃料性状相应的多个映射，进行重质、轻质的判断，并根据判断结果切换检索的映射值，或者进行补充。
在步骤906中，计算分割后的各喷射的喷射空隙，即，喷射间隔CAINTn。喷射间隔优选设定为多个条件的最大值。第一个是与穿透深度相关的条件。若缩短分割后的各喷射脉冲宽度Ti_n之间的间隔，则穿透深度增大，因此通过将燃压Pf作为输入的函数来计算基于穿透深度的喷射间隔。第二个是与设置于发动机控制单元101中的驱动各喷射器254的驱动电路相关的条件。若驱动喷射器254，则被发动机控制单元101所具备的升压电路升压后的电压降低，并且到再次返回原水平为止需要时间。所谓升压复原时间，若假设升压复原时间为Tbst，则为了喷射下一次喷射Ti(n+1)，需要在本次喷射Ti_n结束后空出规定时间。即，喷射间隔需要为Tbst-Ti_n以上。因此，将基于穿透深度的喷射间隔和基于升压复原时间的喷射间隔的最大值作为必要喷射间隔TINTn，通过使用发动机转速Ne将必要喷射间隔TINTn进行曲柄角度变换来计算喷射间隔CAINTn(间隔[ms]×发动机转速[r/min]×6÷1000＝曲柄角度[°CA])。另外，在为了改善混合气的均匀性而需要喷射间隔的情况下，也可以以加上第三个条件并选择最大值来进行曲柄角度变换的方式构成。因为混合气的均匀性很大程度依赖于进气流动，所以也可以为如下结构：使用发动机转速Ne，进气阀225、排气阀226的开闭定时来计算与均匀性相关的喷射间隔。
在步骤907(喷射定时设定)中，进行分割多级喷射的各喷射的喷射定时的设定。步骤907的细节在图11中表示。
在步骤908中，进行计数器n的增加处理，并返回步骤903。像这样反复处理到n＝1～N为止，设定各喷射脉冲宽度和各喷射定时。
接下来，使用图11，对图9的步骤907(喷射定时设定)的细节进行说明。
在步骤1101中，计算在图9的步骤905中推算出的穿透深度的情况下，可容许的最提前侧的喷射定时(曲柄角度)。将第n次喷射的推算穿透深度pnt_n和活塞顶面温度Tp作为输入，通过参照图12(A)所示的那种映射Mcat，来计算温度容许喷射角度PCAt。映射Mcat的设定是根据喷射器254的配置(相对于燃烧室207c的配置)、从喷射器254喷射的各射束的方向、燃烧室207c的膛、冲程来设定的。另外，若对活塞207a的顶面形状也加以考虑来进行设定则更加理想。此外，关于映射Mcat的设定，因为在活塞顶面温度Tp较低的情况下，附着于活塞顶面的燃料的气化将恶化，所以如图12(A)的虚线那样，将针对规定的穿透深度的喷射容许角度设定于滞后侧，在活塞顶面温度Tp为合适温度的情况下，附着于顶面的燃料的气化被促进，所以如图12(A)的实线那样，将针对规定的穿透深度的喷射容许角度设定于提前侧。另一方面，在活塞顶面温度Tp变得更加高温的情况下，若在顶面附着燃料，则因为在燃料(液体)的下面产生蒸发燃料(气体)的层并阻碍热传导，所以产生了妨碍液体瞬时蒸发的现象，即所谓莱顿弗洛斯特(Leidenfrost)现象，因此优选如图12(A)的单点虚线那样将针对规定的穿透深度的喷射容许角度设定于滞后侧。
此外，顶面温度Tp优选使用空气量、空燃比、点火时间等来推算燃烧温度，并且使用由水温传感器217、油温传感器219检测出的水温、油温构成热模型来进行推算的方法，但从控制简化的观点出发，也可以为如下结构：将由水温传感器217、油温传感器219检测出的水温、油温中较低的值作为输入值(顶面温度Tp的代替)，来检索映射Mcat。或者也可以更加简化为如下结构：将由水温传感器217检测出的水温作为输入值，来检索映射Mcat。
此外，映射Mcat是将推算穿透深度pnt_n和活塞顶面温度Tp作为输入而构成的，但也可以构成为将推算穿透深度pnt_n、活塞顶面温度Tp、和缸膛壁面温度作为输入的4维映射。缸膛壁面温度优选使用空气量、空燃比、点火时间等来推算燃烧温度，并且使用由水温传感器217检测出的水温构成热模型来进行推算的方法，但从控制简化的观点出发，也可以构成为将推算穿透深度pnt_n、油温和水温作为输入的4维映射。
在步骤1102中，进行喷射的燃料到达为止的时间延迟的补正。如图4所示，通电刚刚开始后因为存在喷射器254的开阀延迟，所以穿透深度为0，经过规定时间后开始穿透深度逐渐上升。燃料喷雾的速度，即与喷射开始后的经过时间对应的穿透深度的变化依赖于燃压，因此例如通过由将燃压Pf作为输入的表函数来设定时间延迟，并使用发动机转速Ne对时间延迟进行曲柄角度变换，来计算时间補正值PCAc(时间[ms]×发动机转速[r/min]×6÷1000＝曲柄角度[°CA])。
在步骤1103中，从温度容许喷射角度PCAt中减去时间補正值PCAc，计算容许喷射角度PCA。通过步骤1103，能够在考虑到达时间延迟的同时，计算在图9的步骤905中推算出的穿透深度的情况下可容许的最提前侧的喷射定时(曲柄角度)。
在步骤1104中，进行是否为在1个周期中的分割喷射中的第1次喷射定时的设定的判断。在n＝1的情况下，进入步骤1107，以第1次的喷射开始定时SOI1＝容许喷射角度PCA而结束。在n≠1的情况下(第二次以后的情况)，进入步骤1105，计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。在前一次(第n-1次)的喷射结束时间EOI(n-1)上加上在图9的步骤906中计算出的喷射间隔CAINTn来计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。前一次(第n-1次)的喷射结束时间EOI(n-1)是通过在前一次(第n-1次)的喷射开始时期SOI(n-1)上，加上前一次(第n-1次)的喷射脉冲宽度Ti(n-1)的曲柄角度换算值来进行计算的。接下来执行步骤1106，计算本次(第n次)的喷射开始定时SOIn。第n次喷射开始定时SOIn为在步骤1103中计算出的容许喷射角度PCA，和在步骤1105中计算出的能够开始第n次喷射的角度PCAn的较大的值，即提前侧的值。由此，能够在确保分割喷射的喷射间隔的同时，设定在图9的步骤905中推算出的各喷射的穿透深度的情况下可容许的喷射定时。
接下来，使用图13至图16，对如图8至图12所示那样构成时的内燃机的分割多级喷射控制的具体控制例进行说明。
图13是在活塞顶面温度Tp为合适温度，例如发动机热机完成并正常运转的情况下，在1个周期中进行了5次分割喷射的情况的时间图。
在图13中，图13(A)表示了曲柄角度，图13(B)表示了喷射器254的驱动脉冲，图13(C)表示了喷射器254的驱动电流，图13(D)表示了各射束距离喷射器254的喷射口的最短距离的关系。图13(A)的曲柄角度从0增加到180，图13(D)的各射束的最短距离逐渐变大。通过图11的步骤1101，在活塞顶面温度为合适温度的情况下的分割后的各喷射的穿透深度能容许的定时，产生5次喷射器254的驱动脉冲，并在进气行程的中间阶段进行5次的分割喷射。
图14是在活塞顶面温度Tp为合适温度，例如发动机热机完成且正常运转的情况下，在1个周期中进行了4次分割喷射的情况的时间图。图14的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。与图13的情况相比，因为喷射器254的驱动脉冲(喷射脉冲宽度Ti_n)变长(穿透深度变长)，所以通过图11所示的处理，喷射开始定时SOIn被设定于图13的稍滞后侧(BDC侧)，进行4次分割喷射。
在此例如，在活塞顶面温度Tp为合适温度，例如发动机热机完成且正常运转的状态下，使发动机的负载增加时，在图8的步骤801中计算出的合计喷射脉冲宽度Ti_all也增加。在燃压Pf保持一定的情况下，在图8的步骤802中计算出的最小喷射脉冲宽度Ti_min一定。因此，在使发动机负载从低负载向中负载、高负载增加的情况下，例如，在图9的步骤902中计算出的分割数N在低负载时为4时，随着发动机负载增加，在图9的步骤904中计算出的各喷射的喷射脉冲宽度Ti_n(n＝1～4)逐渐增加，若负载增加量成为规定以上，则在图9的步骤902中计算出的分割数N增加1而成为5。若发动机负载进一步增加，则在图9的步骤904中计算出的各喷射的喷射脉冲宽度Ti_n(n＝1～5)逐渐增加。其结果，在图9的步骤905中计算出的推算穿透深度pnt_n随着发动机负载从低负载逐渐增大而逐渐变大，在分割数增加了1时暂时变小，随着发动机负载进一步逐渐增大而逐渐变大。最终在图11中设定的各喷射开始定时SOIn在低负载时为在图14中图示的喷射定时的情况下，随着发动机负载从低负载逐渐增大，而逐渐成为图14的喷射定时的滞后侧，在分割数增加了1时成为在图15中图示的喷射定时，随着发动机负载进一步逐渐增大而成为图15的喷射定时的滞后侧。
图15是在活塞顶面温度Tp为低温，例如以低温启动发动机后，热机没有完成，油温和水温还没有充分上升的情况下，在1个周期中进行了5次分割喷射的情况的时间图。图15的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。与图13的情况相比，因为活塞顶面温度较低，所以通过图11所示的处理，喷射开始定时SOIn被设定于图13的稍稍滞后侧(BDC侧)之后，进行5次分割喷射，使得活塞顶面温度为低温的情况下的分割后的各喷射的穿透深度能够容许。
图16是在活塞顶面温度Tp为高温，例如以高负载连续运转的情况下，在1个周期中进行了5次分割喷射的情况的时间图。图16的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。与图13的情况相比，因为活塞顶面温度较高，所以通过图11所示的处理，将喷射开始定时SOIn设定于图13的稍稍滞后侧(BDC侧)之后，进行5次分割喷射，使得活塞顶面温度为高温的情况下的分割后的各喷射的穿透深度能够容许。
通过如图8至图12所示那样来构成，在图13至图16所示的各种各样的运转状态中，在维持用于防止穿透深度增大的喷射间隔的同时，考虑活塞顶面温度，与分割后的各喷射的穿透深度相应地设定喷射定时来执行分割多级喷射控制，因此能够减少缸内燃料附着，且能够抑制PM排出粒子数的增大和未燃燃料的增大。
另外，在缸内喷射发动机1执行在规定条件成立时暂时自动停止的间歇运转控制，所谓怠速停止的情况下，因为怠速停止中不产生燃烧，所以燃烧室内的壁面温度降低，但由于在图11所示的喷射定时的设定中，在步骤1101中计算温度容许喷射角度PCAt，所以通过将本控制应用于具备怠速停止功能的缸内喷射式发动机，由于考虑了活塞顶面温度，且与分割后的各喷射的穿透深度相应地设定喷射定时来执行分割多级喷射控制，所以在使缸内喷射发动机1从怠速停止状态再启动后的运转中，能够减少缸内燃料附着，并且能够抑制PM排出粒子数的增大和未燃燃料的增大。
图17是在冷机启动后，在通过进行由进气行程喷射、压缩行程喷射所产生的弱分层混合气的形成，并且使点火时间滞后，来进行催化剂升温，即所谓催化剂热机控制中，将图8至图12所示的分割多级喷射控制应用于进气行程喷射的情况下的时间图。图17的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。图17从进气行程开始表示到压缩行程为止，图17(A)的曲柄角度从0增加到360。因此，图13(D)的各射束的最短距离逐渐变大，逐渐变小。在图17(A)的曲柄角度从0开始到180为止的期间，即进气行程中，进行了3次分割喷射。并且在图17(A)的曲柄角度从180开始到360为止的期间，即压缩行程中，又进行了1次喷射。通过这样构成，因为在火花塞周围形成可燃混合气的同时，在进气行程喷射中，与分割后的各喷射的穿透深度相应地设定喷射定时来进行分割多级喷射，所以能够减少缸内燃料附着，且能够抑制PM排出粒子数的增大和未燃燃料的增大。
接下来，使用图18至图24，对使用与图9至图12所示的控制方式不同的方式构成了图8的步骤803(分割喷射设定)的情况的细节进行说明。
图18不是首先设定1个周期中的分割喷射的分割数的方式，而是计算穿透深度能容许的脉冲宽度来进行N次分割喷射的控制方式的控制流程图。若假设分割数为N，则设定n＝1～N的各喷射脉冲宽度和各喷射定时。
在步骤1801中，进行计数器的初始化。
在步骤1802中，使用在图8的步骤801、802中分别设定的合计喷射脉冲宽度Ti_all、最小喷射脉冲宽度Ti_min，来进行是否能够进行分割喷射的判断。在Ti_all＜Ti_min×2的情况下，执行步骤1805(非分割时处理)。步骤1805的细节在图19中表示。
在步骤1803中，进行是否为1个周期中的分割喷射中的第1次喷射的喷射脉冲宽度和喷射定时的设定的判断。在n＝1的情况下，进入步骤1806(第1次喷射处理)，在执行步骤1806后进入步骤1807。在n≠1的情况下(第2次以后的情况)，进入步骤1807。步骤1806的细节在图20中表示。
在步骤1807中，进行如下判断：从合计喷射脉冲宽度Ti_all中减去分割喷射后的各喷射脉冲宽度后剩余的喷射时间是否能够进一步分割。在Ti_min×2＞Ti_all-∑Ti_x(x＝1～n)的情况下，执行步骤1808(最终喷射处理)。步骤1808的细节在图22中表示。在Ti_min×2≤Ti_all-∑Ti_x(x＝1～n)的情况下，执行步骤1807(分割喷射处理)，并再次返回步骤1804。步骤1807的细节在图21中表示。
接下来，使用图19，对图18的步骤1805(非分割时处理)的细节进行说明。
在步骤1901中，设定喷射脉冲宽度Ti_n。在图19的处理中因为无分割，即分割数N＝1，所以第n次喷射脉冲宽度Ti_n＝合计喷射脉冲宽度Ti_all。
在步骤1902中，进行与图9的步骤905相同的处理，计算穿透深度(燃料到达距离的最大值)pnt_n。
在步骤1903中，进行图11的从步骤1101到步骤1103的处理，计算容许喷射角度PCA。
在步骤1904中，以喷射开始定时SOI1＝容许喷射角度PCA结束。
接下来，使用图20，对图18的步骤1806(第1次喷射处理)的细节进行说明。
在步骤2001中，设定n＝第1次的喷射脉冲宽度Ti_n。使n＝第1次的喷射脉冲宽度Ti_n＝最小喷射脉冲宽度Ti_min。
在步骤2002中，进行与图9的步骤905相同的处理，计算穿透深度(燃料到达距离的最大值)pnt_n。
在步骤2003中，进行图11的从步骤1101到步骤1103的处理，计算容许喷射角度PCA。
在步骤2004中，以n＝第1次的喷射开始定时SOI1＝容许喷射角度PCA结束。
另外，在本实施例中，是以将第1次的喷射脉冲宽度作为最小喷射脉冲宽度Ti_min的方式构成的，但也可以为如下结构：取代步骤1901～1902，根据活塞顶面温度、缸膛壁面温度，或者为了简化而根据油温、水温来预先设定第1次喷射的容许穿透深度，并通过与后述的图21的步骤2105相同的处理，根据第1次喷射的容许穿透深度和燃压来计算第1次的喷射脉冲宽度。
接下来，使用图21，对图18的步骤1807(分割喷射处理)的细节进行说明。
在步骤2101中，进行计数器n的增加处理。
在步骤2102中，计算第n-1次的喷射与第n次喷射的喷射空隙，即喷射间隔CAINT(n-1)。步骤2102的处理与图9的步骤906的处理相同。
在步骤2103中，计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。在前一次(第n-1次)的喷射结束时间EOI(n-1)上，加上在步骤2102中计算出的喷射间隔CAINT(n-1)来计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。
在步骤2104中，将在步骤2103中计算出的能够开始第n次喷射的角度PCAn和活塞顶面温度Tp作为输入，通过参照映射Mcat2，来计算作为第n次喷射能容许的穿透深度，即容许穿透深度PPNTn。映射Mcat2的设定是作为图12所示的在图11的步骤1101中使用了的映射Mcat的逆映射来设定的。
在步骤2105中，将在步骤2104中设定的容许穿透深度PPNTn和燃压Pf作为输入，通过参照映射Mpnt2，来计算第n次喷射的喷射脉冲宽度Ti_n。映射Mpnt2的设定是作为图10所示的在图9的步骤905中使用了的映射Mpnt的逆映射来设定的。
在步骤2106中，将在步骤2103中计算出的能够开始第n次喷射的角度PCAn作为第n次的喷射开始定时SOIn而结束。
接下来，使用图22，对图18的步骤1808(最终喷射处理)的细节进行说明。
在步骤2201中，进行计数器n的增加处理。
在步骤2202中，设定与最终的n＝第N次喷射相当的喷射脉冲宽度Ti_n。将从合计喷射脉冲宽度Ti_all中，减去将第1次～第n-1次的喷射脉冲宽度合计后的值而得到的值作为Ti_n。
在步骤2203中，进行与图9的步骤905相同的处理，计算穿透深度(燃料到达距离的最大值)pnt_n。
在步骤2204中，进行图11的从步骤1101到步骤1103的处理，计算容许喷射角度PCA。
在步骤2205中，计算第n-1次喷射与第n次喷射的喷射空隙，即喷射间隔CAINT(n-1)。步骤2205的处理与图9的步骤906的处理相同。
在步骤2206中，计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。在前一次(第n-1次)的喷射结束时间EOI(n-1)上，加上在步骤2205中计算出的喷射间隔CAINT(n-1)来计算能够开始第n次喷射的角度PCAn。
在步骤2207中，计算最终的n＝第N次的喷射开始定时SOIn。第n次喷射开始定时SOIn是在步骤2204中计算出的容许喷射角度PCA和在步骤2206中计算出的能够开始第n次喷射的角度PCAn的较大的值，即提前侧的值。
以上，通过执行图18至图22所示的处理，能够在抑制分割次数N的增大，确保分割喷射的喷射间隔的同时，将各喷射定时尽可能地设定于提前侧，并且，能够计算在该喷射定时穿透深度能容许的各脉冲宽度，来进行分割喷射。
接下来，使用图23至图24，对使用图18至图22所示的控制方式构成了图8的步骤803(分割喷射设定)的情况下的细节进行说明。
图23是在活塞顶面温度Tp为合适温度，例如发动机热机完成并正常运转的情况下，在1个周期中进行了4次分割喷射的情况的时间图。图23的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。
在图23(A)的曲柄角度从0增加到180的过程中，产生了4次喷射器254的驱动脉冲，在曲柄角度0～180，即进气行程的中间阶段进行了4次分割喷射。第1次喷射是在通过图18的步骤1806设定喷射脉冲宽度的同时，在该喷射脉冲宽度的穿透深度能容许的喷射定时进行了燃料喷射。通过图18的步骤1807，在第1次喷射结束后，在空出喷射间隔CAINT(n-1)来设定第2次喷射定时的同时，根据在该定时能够容许的穿透深度设定第2次喷射脉冲宽度。接着，在第2次喷射结束后，在空出喷射间隔CAINT(n-1)来设定第3次喷射定时的同时，根据在该定时能够容许的穿透深度设定第3次喷射脉冲宽度。最后，通过图18的步骤1808，在设定最终即第4次喷射脉冲宽度的同时，在该喷射脉冲宽度的穿透深度能容许的喷射定时进行燃料喷射。
图24是在活塞顶面温度Tp为低温，例如以低温启动发动机后，热机没有完成，油温和水温还没有充分上升的情况下，在1个周期中进行了4次分割喷射的情况的时间图。图24的(A)、(B)、(C)、(D)与图13的(A)、(B)、(C)、(D)相同。与图23的情况相比，因为活塞顶面温度较低，所以通过图18所示的处理将喷射开始定时SOIn设定于图23的稍稍滞后侧(BDC侧)的基础上，进行了4次分割喷射。
通过像这样构成，在各种各样的运转状态中，在维持用于防止穿透深度增大的喷射间隔的同时，考虑活塞顶面温度，并与分割后的各喷射的穿透深度相应地设定喷射定时来执行分割多级喷射控制，因此能够抑制分割喷射次数N的增大，并且，能减少缸内燃料附着，能够抑制PM排出粒子数的增大和未燃燃料的增大。

Claims (14)

1.一种缸内喷射式内燃机的控制装置，是具备燃料喷射阀的缸内喷射式内燃机的控制装置，所述燃料喷射阀通过根据喷射脉冲宽度控制驱动电流，来向燃烧室内喷射燃料，
所述控制装置的特征在于，
所述控制装置进行分割多级喷射控制，该分割多级喷射控制是指，执行在进气行程中至少进行初次喷射的多次燃料喷射，
根据所述初次喷射的喷射脉冲宽度，设定所述初次喷射的喷射定时，使得所述初次喷射的喷射脉冲宽度较短的情况与所述初次喷射的喷射脉冲宽度较长的情况相比，所述初次喷射的喷射定时提前。
2.根据权利要求1所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述缸内喷射式内燃机具备储藏提供给所述燃料喷射阀的燃料的燃料轨，和检测所述燃料轨内的燃料压力的压力传感器，
所述控制装置，按照使被分割为多次的每1次的喷射脉冲宽度成为所述燃料喷射阀所容许的最小脉冲宽度以上的方式，将一个周期中喷射的燃料分割为多次来进行燃料喷射，根据由所述压力传感器检测出的燃料压力，设定所述燃料喷射阀的喷射脉冲宽度的最小值。
3.一种缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
检测对所述缸内喷射式内燃机所具备的活塞的顶面温度产生影响的参数，根据所述参数设定被分割为多次的各喷射中的至少所述初次喷射的喷射定时。
4.根据权利要求3所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述参数是所述缸内喷射式内燃机的冷却水温度，或者所述缸内喷射式内燃机的润滑油温度。
5.根据权利要求3所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述参数为低温的情况与常温的情况相比，将被分割为多次的各喷射中的至少第1次喷射的喷射定时滞后。
6.根据权利要求3所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述参数为高温的情况与常温的情况相比，将被分割为多次的各喷射中的至少第1次喷射的喷射定时滞后。
7.根据权利要求1所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
使用被分割为多次的各喷射的至少第1次的喷射脉冲宽度和所述燃料压力，来推算第1次喷射的穿透深度，并根据所述推算出的穿透深度，来设定第1次的喷射定时。
8.根据权利要求7所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述推算出的穿透深度较短的情况与所述推算出的穿透深度较长的情况相比，将第1次喷射的喷射定时提前。
9.根据权利要求1所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
使用被分割为多次的各喷射的喷射脉冲宽度和所述燃料压力，来推算各喷射的穿透深度，并根据所述推算出的各穿透深度，来设定各喷射定时。
10.根据权利要求1所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
将被分割为多次的各喷射的间隔，空出为了抑制穿透深度增大而充足的规定空隙时间，来设定各喷射的喷射定时。
11.根据权利要求9所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
在被分割为多次的各喷射中的前一次喷射结束后，设定在空出了所述规定空隙时间的喷射定时能够容许的穿透深度，并使用所述设定的穿透深度和所述燃料压力，来设定被分割为多次的各喷射中的本次的喷射脉冲宽度。
12.根据权利要求1所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
所述初次喷射的喷射定时与以所述喷射脉冲宽度的最小值来喷射燃料的定时相同或位于滞后侧。
13.根据权利要求2或12所述的缸内喷射式内燃机的控制装置，其特征在于，
以所述喷射脉冲宽度的最小值来喷射燃料的定时，被设定为以所述喷射脉冲宽度的最小值来喷射燃料的情况下的穿透深度比从燃料喷射阀的喷射口到活塞顶面或缸膛壁面为止的某较短的一方更短的定时。
14.一种缸内喷射式内燃机的控制装置，所述缸内喷射式内燃机具备通过根据喷射脉冲宽度控制驱动电流，来向燃烧室内喷射燃料的燃料喷射阀，
所述控制装置的特征在于，
所述控制装置，在所述缸内喷射式内燃机的冷机启动时，进行分割多级喷射控制，该分割多级喷射控制是指，执行在进气行程中至少进行初次喷射的多次燃料喷射，
根据所述初次喷射的喷射脉冲宽度，设定所述初次喷射的喷射定时，使得所述初次喷射的喷射脉冲宽度较短的情况与所述初次喷射的喷射脉冲宽度较长的情况相比，所述初次喷射的喷射定时提前。
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